[논문 리뷰] Martensitic transformation induced by cooling NiTi wire under various tensile stresses: martensite variant microstructure, textures, recoverable strains and plastic strains

Ondřej Tyc, Xiaohui Bian외 4명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 21.

Shape Memory Alloy TransformationsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 냉각 중 인가된 인장응력이 나노결정립 구조의 NiTi 와이어에서 마르텐사이트 변환(MT)을 유도하는 방식을 조사하며, 100 MPa 이상의 응력에서 단일 영역(001) 복합 편향이 형성되고 약 200 MPa에서 복원 가능한 변형률이 약 5%로 최대화되며, 비틀림 및 키넥트 밴드 형성이 수반되는 응력에 의존하는 플라스틱 변형률이 발생하는 것으로 밝혀졌다. 연구 결과는 외부 응력이 마르텐사이트 변형체 재정렬 및(shape memory alloys)의 변환 메커니즘 제어에 미치는 영향을 명확히 한다.

ABSTRACT

To understand how martensitic transformation (MT) in polycrystalline NiTi shape memory alloy (SMA) proceeds under external stress, we evaluated recoverable transformation strains and plastic strains generated by the forward MT in nanocrystalline NiTi wire cooled under tensile stresses 0-600 MPa, determined textures in martensite and reconstructed martensite variant microstructures within the selected grains of the cooled wire. The obtained findings show that the forward MT proceeding under external stresses gives rise to characteristic recoverable transformation strains, plastic strains, martensite variant microstructures and martensite textures. MT occurring upon cooling under stresses exceeding 100 MPa creates martensite variant microstructures consisting of single domain of partially detwinned laminate of (001) compound twins filling entire grains. The recoverable transformation strain increases with increasing stress, reaches maximum ~5% at ~200 MPa stress, and remains constant with further increasing stress up to 600 MPa. Starting from 100 MPa stress, the forward MT generates also plastic strains, the magnitude of which also increases with increasing stress. We propose that, in the absence of external stress, the forward MT takes place via propagation of strain compatible habit plane interfaces between austenite and second order laminate of (001) compound twins. When the forward MT takes place under external tensile stress, it occurs equally, but the newly created martensite immediately reorients into single domains of (001) compound twins, partially detwins and deforms plastically under the action of the external stress. The plastic strain generated by the forward MT upon cooling under stress is attributed to the [100](001) dislocation slip in martensite at low stresses and plastic deformation of martensite by kwinking at high stresses.

연구 동기 및 목표

• 다결정립 NiTi 형태 기억 합금(SMA) 와이어에서 인가된 인장응력이 마르텐사이트 변환(MT)에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 다양한 인장응력(0–600 MPa) 하에서의 전방 MT 동안 복원 가능한 변형률과 플라스틱 변형률을 정량화하기 위해.
• 외부 응력 하에서 냉각 중 형성된 마르텐사이트 변형체 미세구조 및 결정립 배향을 특성화하기 위해.
• MT 중 응력 하에서 마르텐사이트 재정렬 및 플라스틱 변형의 메커니즘을 밝혀내기 위해.

제안 방법

• 0에서 600 MPa까지 제어된 인장응력 하에서 나노결정립 구조의 NiTi 와이어를 냉각하여 전방 마르텐사이트 변환을 유도하기 위해.
• 개별 입자 내 마르텐사이트 변형체 미세구조를 재구성하기 위해 전자반사도편석(EBSD)을 사용하기 위해.
• 방향성 맵핑 및 결정학적 분석을 통해 마르텐사이트 상의 배향 발달을 분석하기 위해.
• 냉각 중 현장 또는 이산화 측정을 통해 복원 가능한 변형률 및 플라스틱 변형률을 측정하기 위해.
• 미세구조 진화를 응력에 의존하는 변환 거동 및 변형 메커니즘과 연관시키기 위해.
• 관측된 미세구조 및 변형률 데이터를 바탕으로 인장응력에 의한 마르텐사이트 재정렬 및 플라스틱 변형의 기계적 모델을 제안하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각 중 인가된 인장응력은 NiTi 와이어의 마르텐사이트 변형체 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 인가된 인장응력과 NiTi 와이어에서 복원 가능한 변형률의 크기 사이에는 어떤 관계가 있는가?
• RQ3 전방 마르텐사이트 변환 중 총 변형률에 기여하는 플라스틱 변형률이 유의미하게 증가하기 시작하는 응력 수준은 어느 정도인가?
• RQ4 인장응력 하에서 마르텐사이트의 플라스틱 변형을 주도하는 주요 변형 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 냉각 중 다양한 인장하중 조건에서 마르텐사이트 상의 배향은 어떻게 진화하는가?

주요 결과

• 복원 가능한 변형률은 인가된 응력 증가에 따라 증가하며, 약 200 MPa 근처에서 약 5%로 최대에 도달하고 600 MPa까지 일정하게 유지된다.
• 플라스틱 변형률은 100 MPa를 초과하는 인장응력에서 발생하기 시작하며, 응력 증가에 따라 증가한다.
• 100 MPa 이상의 응력에서 마르텐사이트는 부분적 탈편향을 동반한 단일 영역(001) 복합 편향을 형성하며, 이는 응력 유도 재정렬을 나타낸다.
• 응력 하에서의 전방 마르텐사이트 변환은 응력이 없는 조건에서의 변형률에 적합한 습관 평면 인터페이스 메커니즘과 달리, 새로 형성된 마르텐사이트가 즉시 단일 영역(001) 복합 편향으로 재정렬되는 방식으로 진행된다.
• 낮은 응력에서(약 200 MPa 이하)의 플라스틱 변형은 마르텐사이트 내 [100](001) 불량 이동에 기인하며, 높은 응력에서는 키크 밴드(굽힘) 메커니즘이 주요하게 작용한다.
• 미세구조 진화는 외부 응력이 편향을 억제하고 단일 영역 마르텐사이트의 직접 형성을 촉진함으로써 변환 경로를 변화시킨다는 것을 시사한다.